何小剛：評何祚庥院士對中國建設大型對撞機的意見

何小剛。來源：國立清華大學物理系

撰文 |何小剛（上海交通大學、國家千人計劃講席教授，台灣大學特聘教授）

《知識分子》2017年1月25日刊登了中國科學院理論物理所何祚庥院士對中國建設大型對撞機的意見。此長文分六大部分。本人仔細拜讀了何院士的文章，並與許多同事和朋友進行了深入討論，大家都深感失望。文中充滿與事實相差甚遠的描述和錯誤的主觀臆斷。一些同事和朋友鼓勵本人對何院士的文章做一個述評。本人作為長期從事粒子物理研究和關心中國建設大型對撞機的研究人員，覺得確實應該讓公眾對相關物理部分有一個正確了解，將事實與臆測作必要的區分，以免誤導。

何院士文章的第一與第二部分從為什麼美國SSC被取消以及他對所謂「大沙漠」理論的介紹，對由科學院高能所所長王貽芳院士領導的在中國建造環形正負電子對撞機CEPC和強子對撞機SPPC的努力提出質疑。何院士認為，「對於SSC項目的決策，實為國家主持財政的人員認為這一項目並沒有太大的科學價值，且花費大，將會影響國家的發展能力，因而最終拋棄。」不知這個結論是來自於何院士自己還是有文獻或檔案依據。據我的了解，雖然美國國會取消SSC的內情複雜，但主要原因包括當時的政府赤字且與國際空間站爭奪經費、美國的兩黨政治鬥爭（柯林頓接替布希執政）、德克薩斯與其它地區的區域競爭，還有管理不善、預算錯誤、國際合作不夠等。具體依據請參考當時SSC的負責人之一、美國斯坦福大學教授S. Wojcicki的文章【1】及由歷史檔案學家、物理學家和記者合寫的研究著作Tunnel Vision【2】。今天國際高能物理學界公認的是，SSC半途下馬使美國的高能物理研究失去了發現希格斯粒子的機會，失去了國際高能物理的領導地位。這是一個錯誤的決定。柯林頓總統在1998年的一次講演中為此明確表示後悔【3】。

何院士的一個主要觀點似乎是凡是美國政府不做的我們都不應該做。但是，正如王貽芳所長在《知識分子》上發表的回應楊振寧先生的批評文章中所指出的，「今天的中國已經幹了很多美國人不幹、或幹不了的事，未來這樣的事還會有。SSC失敗，不代表我們就不能建造大型加速器」。計劃中的CEPC能大量產生希格斯粒子並對其做精確研究，一些重要物理量的測量精度會比LHC提高10倍。因此無論LHC是否發現新物理，CEPC都是需要的，這是粒子物理髮展中跳不過去的一步。

這種「美國一貫正確「的論點已經被歷史反覆證明是錯誤的和有害的。回到SSC下馬的例子上。歐洲核子中心當時堅信高能對撞機的物理意義。他們並沒有因為美國政府取消SSC停下前進的腳步，而是聯合各國的物理學家，繼續大型強子對撞機的建設。這個正確的決定帶來了豐碩的成果，不僅導致了希格斯粒子的發現，也使歐洲在高能物理方向上成為世界的領袖。

何院士認為基於「大沙漠」理論，未來的加速器將不會有新發現。在此首先要澄清，「大沙漠」並非一個理論，而僅是一種猜測。從目前在103GeV左右還沒有發現新粒子出發就推斷能量一直高到1019GeV（16個數量級！）都不會有新物理，這種猜測的可靠性可想而知！三十年前，「大沙漠」曾是一類特定的大統一理論（一般以SU（5）理論為代表）的預言。這在大統一理論出現早期被認為是合理的。但是到上世紀九十年代，這類大統一理論與質子的長壽命、e+e-（編者註：正負電子）對撞實驗的許多結果不符，簡單的「大沙漠」假設不得不被放棄。目前的主流理論，包括超對稱理論，認為應該存在103GeV量級的新粒子。這樣統一理論能夠自然實現，是解決大統一問題的較好方案。當然這些理論也是某種猜測，它們能否描述自然界，仍需要下一代的加速器實驗來指出正確的方向。但以「大沙漠」理論作為出發點來說明新的加速器沒有必要，實在是不能自圓其說。

何院士在其文章的第三部分得出結論：「將上述兩個論述（即「SSC下馬」和「大沙漠理論」）結合，只能認為，王貽芳所長提出的CEPC-SPPC方案，只不過是已經被美國國會完全拋棄的『創新』」。這個結論與實際情況相差甚遠。事實上，CEPC與SPPC的方案與SSC方案有本質不同。首先這裡有一個正負電子對撞機作為第一步，這是SSC所沒有的。而這第一步電子對撞機也不是中國獨家，事實上還面臨與日本的國際直線對撞機（ILC）和歐洲的未來環形對撞機（FCC）的競爭。在發現希格斯粒子前後，歐洲在2012年初提出建設環形正負電子對撞機（希格斯工廠）來研究希格斯粒子；王貽芳所長在2012年9月提出建設環形正負電子對撞機（CEPC）並在後期改建為質子對撞機（SPPC）的設想；歐洲在2012年底提出未來環形對撞機，包括電子部分（FCC-ee）與質子部分（FCC-hh）的設想。可見在這一波國際上關於高能物理未來發展的討論中，我們中國科學家首先提出了將希格斯工廠與質子對撞機相結合的設想，是有創新性貢獻的。即使是後期的質子部分與SSC與FCC_hh有相似的地方，技術方案也是完全不同的。目前高能所設想的是比FCC還要激進的全高溫超導磁鐵（特別是鐵基超導）方案，以此來發展高溫超導技術，帶動一個全新的領域並對國民經濟產生重大影響。這是一個極為創新的方案，絕不是一個別人「拋棄的方案」。

何院士在第四部分給大家上了一堂「邊際效用遞減規律」的經濟學課。對沒有涉獵相關領域的人們來講應該說是有益的。何院士從希格斯粒子的發現與去年風行一時的750 GeV粒子的消失，作出高能對撞機在LHC能區，其「邊際效用」已遞減為零的結論。何院士說：「日內瓦中心的LHC對於高能物理的貢獻是巨大的，它運轉了20年，先後共發現了四個重要粒子——W±、Z、t夸克和希格斯粒子Higgs，而且幾乎完滿地證明了『標準模型』的正確。現在只剩下一個小問題，即輕子數是否『絕對』守恆問題尚未完全解決」。首先必須更正一下：W±與Z粒子是34年前在CERN的SppS上發現的；top quark是24年前在美國費米實驗室發現的；LHC實驗發現了希格斯粒子，迄今運行不到7年。這個例子極好地說明了，科學的重大發展是多少國度，多少代人的努力來實現的。其實LHC在發現希格斯粒子後有了新的開始，更多的數據將會提供新的方向。在此要特別提請讀者注意，在人類科學發展史上已有多次，科學的框架看起來已似乎趨於完美，也就是何院士的「邊際效用」已遞減為零。但新的實驗總是超出人們的想像力，出乎預料地打破這種「完美」。如經典力學與電磁學的建立，相對論與量子力學的誕生等。探索未知才是科學發展的真諦。CEPC可以讓我們領略新的未開墾領域，也許是人類了解最基本自然規律超級「邊際效應」的最好途徑。

在過去幾十年間，中國已在各個層次，包括科學研究，產業發展，工程施工等各方面都有長足的進步。高能所在按時、按預算執行國家大型科學計劃等方面都有良好紀錄。特別是最近剛剛獲獎的北京正負電子對撞機重大改造工程和大亞灣中微子實驗並無中央領導或特殊人物的具體參與。從BEPC建造到現在二十多年過去了。國家在執行大計劃的規範更健全、建設團隊能力也極大的增強的今天，為什麼不能夠按計劃時間和計劃經費與國際團隊合作完成？何院士是否應該對中國團隊的成長以及團隊能力要有更多的信心，以此激勵中國科學事業的蓬勃發展？

何院士在結尾的部分引用了與諾貝爾獎得主丁肇中教授的私人交談。在討論王所長關於CEPC的建議時，何院士引述了丁教授的話「幹嘛弄這個？一點意思也沒有。」人們無法知道是否確有其事，但去年《知識分子》和丁教授有過較正式的公開交流。在此特引用2016年10月22日《知識分子》推送的原文：

「2016年9月14日，知名華裔物理學家、諾貝爾物理學獎得主丁肇中教授針對某中科院院士聲稱「丁肇中教授也對中國建設大型對撞機項目持保留意見」，向《知識分子》作出兩點回復：

1）王貽芳所長是我親自挑選出來特別有成就的科學家，在我的組裡工作多年。他回國後，經常和我保持聯繫。

2）我從來不和任何人討論與我實驗無關的事情，我不可能和任何理論物理學家認真的討論過某專家提到的這件事，這不是我一貫的處事方式。」

在《知識分子》刊登何院士的文章後，《科學春秋》又在2017年1月27日刊出了何院士給諾貝爾獎得主楊振寧先生的電子郵件和楊先生簡短的回復（詳見

http://mp.weixin.qq.com/s/TKlanCFI7eRD7XFMomt5yA）。何院士在郵件中指出現在的討論其實集中在希格斯工廠上。既然如此，何院士在《知識分子》上的文章仍然以SPPC為主要目標就令人費解了。何院士在郵件中對CEPC的描述有很多錯誤。例如，何文說一個30公里的Z工廠造價極低，可以得到比CEPC多106～108倍的Z粒子。但實際上最多只有100倍，造價也不會低過2倍。中國高能物理學會對此方案及其它一些方案都有過討論，從科學意義、國際競爭、技術進步與能力、造價等各方面綜合分析，大家的結論是CEPC優先。何文還將CEPC和日本考慮建造的國際直線加速器ILC（註：何文中的英文縮寫有誤。SLAC是美國斯坦福直線加速器實驗室的英文縮寫）相對比，說CEPC的亮度（直接影響到產生希格斯粒子的數量）比ILC小一個數量級。而事實正相反！在希格斯工廠的能區，CEPC這樣的環形對撞機比直線對撞機亮度高已經是公認的基本事實。在同樣的能耗下，ILC能得到希格斯粒子數只是CEPC的五分之一，而價格卻是CEPC的兩倍。CEPC還同時可以作為Z工廠，而ILC不能。兩者的性價比任何人都可以看得很清楚。

在給何院士的回復中，楊先生又一次提到了大型對撞機需要的錢是無底洞。在之前的辯論中，CEPC需要的錢已經由大量的事實和詳實的數據進行過論證。 「無底洞」是一種沒有任何根據的猜測。楊先生說CEPC不能解決引力量子化問題。但事實上CEPC甚至SPPC的科學目標從來就不是引力量子化問題。用這個來批評CEPC就像說發射火箭不能治療癌症一樣。

總的來說，本人認為何院士文章的出發點錯誤，很多論據與事實不符，由此得出的結論自然不可能正確。有關CEPC-SPPC計劃的方方面面在前幾個月的公開討論中有詳細的論述。在這裡主要討論何院士最近的文章而不可能面面俱到。值得欣慰的是，CEPC-SPPC的預研工作在國內國外蓬勃開展，吸引了眾多的青年物理學工作者。科學的發展正在「長江後浪推前浪」。

注釋：

【2】M．Riordan, L. Hoddeson and A. Kolb, Tunnel Vision – The rise and fall of the Superconducting Super Collider, The University of Chicago Press，2015

【3】https://www.aip.org/fyi/1998/president-clinton-addresses-mit

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